一種新穎的電力發動機理論分析與控制，用以改善電動汽車電池容量利用效率，并提高駕駛性能

賈立進

（中國，蘇州 江蘇 215000）

一種新穎的電力發動機理論分析與控制，用以改善電動汽車電池容量利用效率，并提高駕駛性能

賈立進

（中國，蘇州 江蘇 215000）

電驅動系統為電動汽車提供動力，包括傳統旋轉電機、動力電池、和控制器，這能代替內燃機驅動系統改善大氣污染。但此方案主要缺點是較低的動力電池容量利用效率。這里，我們報告一種新穎的電力發動機，此方案是把永久磁鐵置于線圈內部，永久磁鐵將受到一個最大的吸引力或排斥力，受力方向同永久磁鐵（活塞）的位移方向，故電力發動機能改善電池容量的利用效率。此外，文章還描述了電力發動機控制策略，它將提高電動汽車駕駛穩定性。

電驅動系統；電力發動機；電池容量利用效率；控制策略；穩定性

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.12.003

CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-06-04

命名

Pd驅動功率；

Pl負載需求功率；

U 電力發動機電源供電電壓；

I 電力發動機電源供電電流；

η 電力發動機能量轉換效率；

nT目標轉速；

T 負載扭矩；

D 線圈供電占空比。

引言

近年來，隨著電動汽車設計及控制的發展，結合我國政府規劃與激勵措施，再次激發了專業人士探索與研究電驅動系統電機的興趣（例如，[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[ 15 ]，和[16]）。但傳統的旋轉電機的主要缺點是導致電池容量的利用率低，分析原因如下：

左手定則是傳統電機的重要理論，但它不是一個完整的理論，圖1給出左手定則示意圖。當導線中電流方向垂直于外磁場磁力線方向，導線將受力，受力方向同時垂直于導線中電流方向和外磁場磁力線方向。首先，當導線中有電流，在導線附近將產生磁場磁力線，見圖1A，磁力線（g）產生于通電導線，它是順時針方向。其次，當一個外加磁場垂直施加于通電導線，則通電導線附近的磁場磁力線與外加磁場磁力線將產生力的作用，封閉磁力線具有獨占性，如果兩磁場磁力線都是順時針方向，或兩磁場磁力線都是逆時針方向，則兩磁場磁力線間將產生吸引力，吸引力方位為兩磁場磁力線中心點的連線；如果一個磁場磁力線是順時針方向，另一個磁場磁力線是逆時針方向，則兩磁場磁力線間將產生排斥力，排斥力方位為兩磁場磁力線中心點的連線。見圖1B，磁力線（a）是順時針方向，因此磁力線（g）與磁力線（a）產生吸引力Fga，同理分析可知，Fge、Fgb都是吸引力；磁力線（c）是逆時針方向，因此磁力線（g）與磁力線（c）產生排斥力Fcg，同理分析可知，Fdg、Ffg都是排斥力。第三，圖1C給出導線受力分析示意圖，主要由Fga、Fge、Fgb、Fcg、Fdg、Ffg組成。最后，圖1D給出導線受力分解與導線受力合成示意圖， Fx是導線x方位所受的力，其方位同時垂直于靠近導線側的外磁場磁力線方位和導線中電流方向，這完全與物理學左手定則一致。但Fy無論等于零，亦或不等于零，分力（Fgay、Fgby、Fcgy、Fdgy）總是存在的。

圖1 左手定則示意圖

因此，在傳統旋轉電機內，定子磁場磁力線與轉子磁場磁力間產生的力，包括切向分力和徑向分力（或稱法向分力，旋轉向心力）。切向分力，例如，Fgax、Fgex、Fgbx、Fcgx、Fdgx與Ffgx，都是做有用功，徑向分力，例如，Fgay、Fgby、Fcgy、 Fdgy，都是不做功，但它們在電動汽車電驅動系統中需要動力電池維持，當動力電池SOC下降到一定比例，徑向分力不能滿足定子與轉子間吸引力需求，電機將失去動力，因此，傳統電機不能利用動力電池整個電容量空間，導致動力電池容量的利用率低。

一些論文[4]、[5]、[6]、[10]不僅僅聚焦于電驅動系統的電機，還分析電機的控制策略。然而傳統電機的控制策略，基于目標轉速與電機線圈電流控制電機轉速，采用各種算法，例如PID算法，使得當前轉速跟隨目標轉速。但如果負載扭矩呈動態隨機變化，那么當前電機旋轉速度也將隨機波動，因此，電動汽車的駕駛穩定性較差。

這里，我們分析電力發動機[1]理論，并且介紹電力發動機控制策略[2]。在不久的將來，上述缺點將被解決。

本文的其余部分安排如下：第二節給出給出一組簡單的電力發動機模型，描述電力發動機概念、架構、工作過程、模型及模型運轉，基于電磁物理學理論，分析電力發動機特點；第三節給出電力發動機控制策略模型簡單仿真結果，在本節，將詳細描述電力發動機控制策略；最后，第四節給出主要結論，并為未來研究人員給出建議。

1、電力發動機

電力發動機（見圖2）是電驅動系統重要部件，它將改善動力電池容量的利用效率。本節給出給出一組簡單的電力發動機模型，描述電力發動機概念、架構、工作過程、模型及模型運轉，基于電磁物理學理論，分析電力發動機特點。

電力發動機（見圖2）是電能轉換為機械能的設備，它主要應用于新能源電動汽車領域，見圖2，主要由支架、曲軸、連桿、活塞、缸體、電磁線圈總成、電力發動機控制單元及霍爾傳感器組成。活塞頂部嵌入永久磁鐵，電磁線圈總成由缸蓋、線圈、缸體組成，缸體線圈位于上止點刻度線與下止點刻度線之間，缸體線圈軸向長度為活塞行程距離。

1.1 工作過程

如果線圈電流是正向，則活塞將上移；如果線圈電流反向，則活塞下移，見圖2。

首先，當活塞（5）到達下止點位置，電磁線圈總成（8）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（12）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（9）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（11）線圈電流切換至反向電流。其次，當活塞（13）到達下止點位置，電磁線圈總成（11）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（9）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（8）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（12）線圈電流切換至反向電流。再次，當活塞（14）到達下止點位置，電磁線圈總成（8）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（12）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（9）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（11）線圈電流切換至正向電流。最后，當活塞（7）到達下止點位置，電磁線圈總成（11）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（9）線圈電流切換至正向電流，電磁線圈總成（8）線圈電流切換至反向電流，電磁線圈總成（12）線圈電流切換至正向電流。當電力發動機控制單元（10）關斷所有電磁線圈總成電源，電力發動機將停止運轉。

1.2 模型&模型運轉

圖3是電力發動機模型及模型運轉，圖3A是第一代電力發動機模型，圖3B是運轉中的第一代電力發動機模型，圖3C是第二代電力發動機模型，圖3D是運轉中的第二代電力發動機模型。

圖2 電力發動機示意圖

圖3 電力發動機模型及模型運轉

見圖3，電力發動機模型都是由曲軸、連桿、活塞、永久磁鐵、線圈、缸體、動力驅動板、電力發動機控制單元、霍爾傳感器組成。電力發動機控制單元控制線圈電流方向，活塞做往復直線運動，往復直線運動經過連桿、曲軸被轉換為旋轉運動，最后曲軸輸出動力，包括轉速與扭矩，代替內燃機與傳統旋轉電機為電動汽車電驅動系統提供動力。

圖4 電力發動機模型控制邏輯框圖

圖4給出電力發動機模型控制邏輯框圖，模型主要功能如下：如果芯片（PIC16F1827）RB0引腳從低電平變為高電平，線圈電流切換至反方向，活塞下行；如果芯片（PIC16F 1827）RB1引腳從低電平變為高電平，線圈電流切換至正方向，活塞上行。

1.3 原理&特點

圖5給出磁場磁力線分布示意圖，圖5A是帶電線圈磁場磁力線分布示意圖，圖5B是永久磁鐵磁場磁力線分布示意圖。

如圖5A，線圈磁場磁力線是封閉曲線。在線圈內部，磁力線的方向是從S極指向N極，磁力線是最集中的，磁場強度是最大的，磁力線具有極好的一致性，磁場具有很好的穩定性。在線圈外部，磁場磁力線的方向是從N極指向S極，磁場強度隨著遠離磁極而快速衰減。

圖5 磁場磁力線分布示意圖

如圖5B，同樣的，永久磁鐵磁場磁力線是封閉曲線。在永久磁鐵內部，磁力線的方向是從S極指向N極，磁力線是最集中的，磁場強度是最大的，磁力線具有極好的一致性，磁場具有很好的穩定性。在永久磁鐵外部，磁場磁力線的方向是從N極指向S極，磁場強度隨著遠離磁極而快速衰減。

如圖5，如果把永久磁鐵內部磁場與線圈內部磁場放到一起，它們將產生最大的吸引力或排斥力，且如果兩磁場強度相等，能量轉換效率最高。

電力發動機方案正是把永久磁鐵放置在線圈內部，永久磁鐵受到最大的磁場力，磁場力方向是永久磁鐵（活塞）的位移方向，磁場力都做有用功，因此，電力發動機方案能改善動力電池容量的利用效率。

2、控制策略

控制策略是電力發動機重要組成部分，它將提高電動汽車的駕駛穩定性。本節給出簡單的控制策略模型仿真結果，并詳細描述電力發動機控制策略。

追求驅動功率與負載需求功率相等，這是電力發動機控制策略的最高目標。計算如下：

Pd是電力發動機驅動功率，單位為瓦特，見公式（1）。

Pl是電力發動機負載需求功率，單位是千瓦特，見公式（2）。

令驅動功率與負載需求功率相等，見公式（3）和公式（4）。

根據公式（4），計算占空比，見公式（5）。

根據占空比，我們能計算出活塞行程周期內線圈供電時間。

圖6 控制策略模型仿真結果

圖6給出控制策略模型仿真結果。圖6A是目標轉速，單位是rad/min。圖6B是負載扭矩，單位是Nm。圖6C是負載需求功率，單位是kW。圖6D是當前實際轉速，單位是rad/min。當目標轉速維持恒定不變，我們給負載扭矩一個隨機增量，增幅不超過30%，這是由LabVIEW編程環境中隨機變量函數實現。仿真結果：目標轉速波形不變，負載需求功率波形是波動的，但當前實際轉速沒有波動。因此，本方案控制策略將提高電動汽車駕駛穩定性。

3、結論

本文提出并分析了一種新穎的電力發動機，該方案把永久磁鐵置于線圈內部，實現永久磁鐵獲得最大的吸引力或排斥力，力的方位與永久磁鐵（活塞）的位移方位一致，力產生有用功。此電力發動機方案能改善動力電池容量的利用效率，且能提高電動汽車駕駛穩定性。

本文工作實現了電力發動機模型及其控制策略，并分析了電力發動機理論。如果我們能實現30kW電力發動機，并持續研究它，在不久的未來它將被應用到電動汽車中，并將解決動力電池容量低利用效率問題及電動汽車低駕駛穩定性問題。

[1] Li-Jin, Jia. A Power Engine. P.R.China Patent No. 201010171217.0, May 2010.

[2] Li-Jin, Jia. An Electric Car Electric Drive Electronic Control Device. P.R.China Patent No. 201410271132.8, June 2014.

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[13] Faggion, A., Bianchi, N., Bolognani, S., Fornasiero, E. Analysis and Experimental Tests of the Sensorless Capability of a Fractional-Slot Inset PM Motor. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. PP, Issue: 99, pp. 1, 2014.

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[16] Hao Chen., Gu, J.J. Switched Reluctance Motor Drive With External Rotor for Fan in Air Conditioner. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol. 18, Issue: 5, pp. 1448-1458, 2013.

Theoretical Analysis & Control of a Novel Electric Engine for an Electric Vehicle to Improve Utilization Efficiency of the Battery Capacity and to Enhance Driveability

Jia Lijin
（Suzhou China, Jiangsu 215000）

Electric drive systems provide power for electric vehicle, the essential components are traditional rotary motors, power batteries, and electronic controllers; it can be used to improve air pollution by replacing internal combustion engine drive systems. But the main drawbacks of this scheme are the low utilization efficiency of the battery capacity. Here, we report a novel electric engine, the scheme is that the permanent magnet is put in the coil inside, the permanent magnet experiences a maximum force, the force orientation is the displacement orientation of the permanent magnet (piston), this electric engine can improve utilization efficiency of the battery capacity. This paper describes the electric engine control strategies; it will enhance electric vehicle driveability.

Electric drive system; electric engine; utilization efficiency of the battery capacity; control strategy; driveability

U469.72

A

1671-7988 (2016)12-06-04

賈立進，生于1980年4月，于2012年獲得南京大學計算機技術碩士學位，在IT領域，有八年軟件研究與開發工作經驗；在汽車領域，有六年主管設計與技術項目管理工作經驗，目前，作為主管設計師&電動汽車技術研究人員，他的研究興趣是電動汽車電驅動系統。